Expression of β-glucosidase increases trichome density and artemisinin content in transgenic Artemisia annua plants
- 作者
- Nameirakpam Dolendro Singh, Shashi Kumar, Henry Daniell
- 单位
- Department of Biochemistry, School of Dental Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2016）
- DOI
- 10.1111/pbi.12476
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿在植物中积累量低，其贮存场所——腺毛状体密度不足是限制青蒿素产量的关键因素，既往策略多集中于合成途径工程而忽略了贮存能力。
研究策略
通过农杆菌介导转化在青蒿中表达里氏木霉来源的β-葡萄糖苷酶基因（bgl1），利用该酶释放活性植物激素，从而增加叶片和花中腺毛状体的密度和大小，扩大青蒿素的贮存空间。
核心内容
本研究在青蒿中异源表达里氏木霉来源的β-葡萄糖苷酶基因bgl1，旨在通过提高腺毛状体密度来增加青蒿素的贮存能力，而非直接改造其合成通路。利用农杆菌介导转化获得转基因植株后，BGL1酶活性较对照提升1.6至2倍，并促进了叶片和花中毛状体密度与尺寸的显著增加，其中叶片毛状体密度增加10%至20%，花中增加11%至66%，毛状体横截面积最高扩大2倍。关键结果是转基因植株花中青蒿素含量最高达干重的2.56%，为对照（0.55%）的约5倍，叶片中最高达1.4%，略高于对照的1.22%。研究表明，通过扩大青蒿素的物理贮存空间可显著提升其积累量，该策略与合成途径工程互补，为后续通过组合策略进一步提高青蒿素产量提供了新思路，同时鉴于青蒿植物细胞口服比纯药更经济高效，这一发现也有助于推动青蒿素在疟疾流行地区的普及应用。
创新点
['首次通过提高毛状体密度而非直接改造合成通路来增强青蒿素含量', '利用β-葡萄糖苷酶调节植物激素促进毛状体发育，为增加青蒿素贮存容量提供新策略']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 青蒿 (Artemisia annua L.) | 青蒿素生物合成 | bgl1 | β-葡萄糖苷酶 (BGL1) | 催化 | 来自里氏木霉，C端融合液泡靶向序列，通过释放活性激素促进毛状体发育 |
| 青蒿 (Artemisia annua L.) | 毛状体发育 | — | chitinase CTPP | 区室化 | 液泡靶向序列，将BGL1引导至液泡，可能影响激素储存与释放 |
关键发现
- BGL1转基因青蒿的叶片毛状体密度增加10%-20%，花中增加11%-66%
- 叶片青蒿素含量最高达1.4%（每克干重），对照为1.22%
- 花中青蒿素含量最高达2.56%（每克干重），为对照（0.55%）的5倍
- β-葡萄糖苷酶活性比对照提高1.6-2倍
- 毛状体横截面积最高增加2倍。
研究结论
通过提高毛状体密度可显著增加青蒿素含量，该策略与合成途径工程相辅相成，有望进一步提高青蒿素产量；且口服青蒿植物细胞比纯药更有效、成本更低，有助于青蒿素在疟疾流行地区的普及。